Enzymatic and biological activity of gum Arabic derived from Acacia senegal (L.)

Aktywność biologiczna gumy arabskiej (GA) w roślinnych kulturach in vitro wyrażana jest m.in poprzez zmniejszenie śmiertelności komórek, zwiększenie ilości struktur regeneracyjnych, zwiększenie intensywności podziałów mitotycznych, a także skrócenie czasu potrzebnego do indukcji morfogenezy. Jak dotąd biologiczny mechanizm działania gumy arabskiej nie został jeszcze poznany. Celem niniejszej pracy było wyjaśnienie mechanizmów aktywności biologicznej gumy arabskiej w kulturach in vitro jęczmienia zwyczajnego. Guma arabska została podzielona na frakcje poprzez zastosowanie chromatografii wykluczania (SEC). Uzyskane frakcje zostały następnie zanalizowane pod kątem składu białkowego przy użyciu techniki spektroskopii mas MALDI TOF-TOF. W dalszej kolejności przy użyciu metod elektroforetycznych i spektrofotometrycznych została przeprowadzona charakterystyka aktywności enzymatycznej uzyskanych frakcji chromatograficznych. Na podstawie rozdziału chromatograficznego wyodrębniono kilka frakcji GA: niezawierające białek enzymatycznych, zawierające białka enzymatyczne o aktywności peroksydaz (POX) potwierdzonej metodą elektroforetyczną i spektrofotometryczną oraz zwierające białka o aktywności POX potwierdzonej tylko metodą spektrofotometryczną. Wpływ wszystkich uzyskanych frakcji, a także komercyjnego standardu POX na proces androgenezy i kiełkowania jęczmienia zwyczajnego (Hordeum vulgare L.) sprawdzano w kulturach in vitro. Przeprowadzone badania wykazały, że żadna z testowanych frakcji GA oraz komercyjny standard POX nie miały stymulującego działania na rozwój androgenicznych zarodków ani na zwiększenie tempa regeneracji podczas androgenezy jęczmienia. Natomiast w przeciwieństwie do androgenezy, białka o aktywności peroksydaz obecne w GA, a także standard POX wykazały pozytywny wpływ na wczesne etapy kiełkowania zarodka jęczmienia: normalizację morfologii korzeni oraz zwiększenie liczby korzeni. Uzyskane wyniki wskazują na złożoną i wysoce specyficzną funkcję poszczególnych składników GA w różnych procesach rozwojowych.

Biological activity of Gum Arabic (GA) in in vitro plant cultures results, among others, in decrease of cell mortality, increase in the number of regenerative structures, increase of the intensity of mitotic divisions and also in shortening the time needed to morphogenesis induction. However, the way by which GA exerts its positive effect on plant cells remains obscure. The main purpose of the thesis was to elucidate the possible mechanisms underlying the stimulatory action of GA on androgenesis and seedling development in in vitro culture of barley (Hordeum vulgare L). GA was fractionated with the size exclusion chromatography (SEC). Next, the fractions were analyzed with the mass spectroscopy MALDI TOF-TOF, in order to determine the protein profile. Characteristics of the enzymatic activity of the fractions was performed using electrophoretic and spectrophotometric methods. In a result of biochemical studies the following fractions of GA were obtained: the fractions containing non-enzymatic proteins, the fractions containing proteins with peroxidase (POX) activity which was confirmed by electrophoretic and spectrophotometric methods, and the fractions containing proteins with POX activity which was confirmed solely by spectrophotometric method. None of the fractions tested had positive effect on barley androgenesis. This was also the case for commercial POX standard suggesting that stimulatory role of GA on androgenic development cannot be linked to its anti-oxidative properties. In contrast, the fractions showing POX activity as well as POX standard increased the frequency of rhizogenesis and positively affected root morphology during seedling development of barley. Altogether, the results point to complex and highly specific functions of different GA components in different developmental processes.